多孔碳化硅（SiC）陶瓷膜分离技术被认为是近年来发展最迅速的膜分离新技术之一。由于其具有耐化学性、高温稳定性和低污染特性等优点，使得基于SiC陶瓷膜的过滤材料可在高温环境下进行气体、液体分离，并具有耐化学清洗的能力，有望在流体（气体、液体等）分离领域得到广泛应用〔1-2〕。此外，与聚合物及其他陶瓷膜材料相比，SiC陶瓷膜还显示出高通量特性，这源于SiC陶瓷膜突出的空间结构及更加集中的孔径分布特征。不仅如此，近年来研究者们专注于SiC陶瓷膜孔隙的尺寸、数量、形状、位置分布以及连通性等方面的研究，让多孔SiC陶瓷膜的结构和性能得到不断地改善和优化。其中，膜成型工艺的不断创新和升级功不可没。目前，较为成熟的多孔SiC陶瓷膜成型工艺有部分烧结法、复型法、牺牲模板法、直接发泡法和黏合法等。随着这些膜成型工艺的不断成熟，SiC陶瓷膜分离技术的可应用领域也越来越广泛，如能源、化工、冶金、石化、造纸、印刷、烟草和制药等诸多领域〔3-8〕。
本综述将对近期国内外SiC陶瓷膜分离技术的应用研究进展进行梳理，同时对当下SiC陶瓷膜分离技术应用研究遇到的瓶颈性问题进行分析和讨论。
1 SiC陶瓷膜简介
SiC陶瓷膜按膜结构不同一般分为管式膜和平板膜，见图 1。
图1
图2
以管式膜的液体分离为例，原料液在管式膜内快速流动，在压力驱动下含小分子的澄清渗透液沿与膜面垂直方向向外透过膜分离层，含大分子的浑浊浓缩液被膜面截留，从而实现液体的过滤和分离。
2 国内外研究进展
2.1 油水分离
叶世威等〔20〕以孔径为0.1 μm的SiC陶瓷膜，在跨膜压差为0.2 MPa、温度为20 ℃、伴有固定时间间隔的反冲洗条件下处理油田含油废水。产水水质满足《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》（SY/T—532994）的要求，可以作为回注水，且膜经简易清洗后，通量可完全恢复。吴玉祥等〔21〕用0.02 μm的多通道非对称性SiC陶瓷膜对采油污水进行了现场中试。在各种运行条件下，陶瓷膜出水悬浮物＜1.0 mg/L，油＜10 mg/L，粒径中值＜1.0 μm。T. Zsirai等〔22〕在同等操作条件下，发现SiC陶瓷膜的持续渗透性优于TiO2陶瓷膜。SiC微滤膜具有较高的渗透性，但同时也更易受污染，需要应用有效的化学清洗方法。王婷婷等〔23〕研究了孔径为1.0 μm的SiC动态膜对油水乳化液的分离性能，考察了油水乳化液的温度、压力、流量、浓度、pH对分离效果的影响。稳定渗透通量随温度、流量的增大而增大，随压力的增大先增大后减小，随浓度的增大而减小。截留率随温度、压力、流量、浓度的增大呈现减小的趋势。pH对油水乳化液的分离影响较大，中性时分离效果最佳。代小元等〔24〕以孔径为0.5 μm的SiC陶瓷膜，在跨膜压差为0.14 MPa，过滤时间为20 min的条件下过滤稀磷酸+矿浆、磷酸一铵料浆和含油切削液3种工业废水，滤液中悬浮物的质量浓度分别为54、49、16 mg/L；当跨膜压差为0.2 MPa时，SiC陶瓷膜对含油切削液的过滤效果最好，滤后水的含油和悬浮物质量浓度分别为0.78 mg/L和9.35 mg/L，满足排放要求。被污染后的陶瓷膜，利用气水混合反冲洗5次后，膜通量由250 L/（h·m2）恢复至406 L/（h·m2），恢复率达到97%以上。最近，邢卫红研究员团队〔25〕提出了一种高效的烧结添加剂方法，在较低的烧结温度下（1 000 ℃）制备的SiC陶瓷膜具有0.037 L/（m2·h·Pa）的高纯水通量。膜平均孔径为0.4 μm，表现出高效的油水分离能力（约90%）。该项研究为低成本研制SiC陶瓷膜提供了一个新的方法，有助于SiC陶瓷膜在油水分离领域的进一步推广和应用。
2.2 水质净化
除了在油水分离领域的应用，SiC陶瓷超滤膜因具有高结构稳定性和选择性，还可用于净化水质，分离水中的悬浮物、细菌等杂质。
M. C. Fraga等〔13〕采用0.04 μm SiC陶瓷膜过滤处理橄榄油厂废水。研究发现，总悬浮物和废水油脂均被有效的去除。许政威等〔26〕采用0.45 μm SiC陶瓷膜对经过改性磷尾矿处理的模拟重金属废水进行固液分离，对不同跨膜压差下错流过滤的膜处理通量以及膜污染和膜清洗进行了探讨，发现随着跨膜压差的增加膜处理通量有着显著的增加，而与此同时膜污染也更难被清洗。过滤后的清水中悬浮物的去除率均达100%，铅、镉离子的质量浓度均低于0.1 mg/L，符合我国废水排放标准（GB 8978—1996）的要求。E. Eray等〔7〕采用陶瓷工艺在多孔SiC基底上制备出纯SiC陶瓷膜，并用于处理污水处理厂的二级污水。膜对悬浮物、胶体颗粒的去除率很高，分别为99.4%和96%。同时，COD的去除率也达到83%，效果显著。
一般地，SiC陶瓷膜的过滤精度为微滤和超滤。在水处理工艺中，一般配置为二级甚至三级的精处理工艺，可有效分离污水中的悬浮物、微小固体颗粒、细菌等，使产水水质达到我国废水排放标准。关于SiC陶瓷膜分离技术在水质净化方面的研究还需要不断深入，可拓展的应用领域也有待进一步挖掘。
2.3 气体除尘、净化
近年SiC陶瓷膜在气体除尘、净化方面的应用研究也不断涌现，SiC陶瓷膜有望在气体分离领域大有作为。
B. Elyassi等〔27〕通过高温热解法制备出SiC陶瓷膜，该膜对H2/CO2的理想选择性为42%~96%，对H2/CH4的理想选择性为29%~78%。曹俊倡等〔28〕发现SiC高温陶瓷膜材料在300 ℃以上的中高温粗煤气净化，可以将飞灰颗粒脱除至0.3 μm，除尘后的煤气中的飞灰降至1~2 mg/m3。王军等〔29〕以涂氧化铝膜的SiC陶瓷膜管（孔隙率为28.16%，平均孔径为20 μm，过滤面积为0.28 m2）为过滤元件，搭建了PM2.5捕集的实验装置，对膜管的过滤时间、通量与阻力降的关系以及捕集效率与时间的关系和膜污染控制方面进行了研究。结果表明，随着过滤时间的增加，通量逐渐减小，阻力降逐渐增大，捕集效率逐渐增大，对PM2.5捕集效率高达99.9%；对膜污染控制参数优化后反吹压强选定为0.8 MPa，反吹间隔时间为10 min，反吹时间为14 s。邢卫红研究员团队〔30〕采用干压成型与原位反应结合的方法制备的高渗透多孔SiC陶瓷膜，系统地研究了其孔隙率、机械强度、微观结构、透气性和抗热震性能。结果表明，透气性达到1 600 m3/（m2·h·kPa），气体渗透系数高达1.64×10-11 m2，均优于大多数多孔陶瓷膜材料。该SiC陶瓷膜有望应用于下一代热气分离器。李冬燕等〔31〕采用喷涂法制备得到高温除尘SiC陶瓷膜，平均孔径为3.03 μm，气体通量达到175 m3/（m2·h·kPa），具有较强的抗腐蚀性能。
气体除尘、净化是一个长期发展和创新的技术领域，SiC陶瓷膜分离技术为其增添了新的可应用技术，相关研究也显示出SiC陶瓷膜的独特气体除尘、净化的能力。然而，目前的研究工作还远远不够，还有很多问题需要探讨和解决，如高温气体环境下SiC陶瓷膜的物理、化学稳定性、膜易受污染及清洗效果不佳、能源消耗高等。
3 分析与讨论
作为无机膜材料之一，SiC陶瓷膜较有机膜而言，不仅在强度、化学稳定性、耐高温、耐腐蚀、抗污染、高通量、可循环使用等方面占据独特的优势，还具有可进行高压反冲洗、更窄的孔径分布等优点。而与其他传统的无机陶瓷膜相比（如Al2O3、SiO2、ZrO2等），SiC陶瓷膜为近年来迅速发展起来的新型无机膜材料，具有非常高的熔点、抗弯强度、断裂韧性和热导率，同时比Al2O3等陶瓷膜价格更加实惠，并在膜分离应用上表现出独特的性能。因此，围绕SiC陶瓷膜分离技术的应用研究是当下研究院所追逐的一大热点。
（2）膜易受污染。尽管SiC陶瓷膜比氧化硅、氧化铝等陶瓷膜在耐污染性能方面更好，但是长时间使用仍然会受到污染，膜通量和处理性能都会显著降低〔24〕。此外，膜清洗相关的研究也有很多，而不足之处在于膜清洗后的通量恢复率不稳定。膜长期使用后，经反复清洗后的膜通量恢复效果不佳，必须更换新的膜元件。因此，如何生产不易受污染的膜、提高膜可清洗再生能力是当前亟待解决的问题。
（3）膜生产及使用成本高。由于SiC陶瓷膜的难烧结性且烧结温度很高，导致其制作工艺复杂、生产成本较高。膜分离过程中存在浓差极化和膜污染等问题，使得渗透通量随操作时间的增加而减小。为了控制浓度和膜污染，需要消耗大量的能量来维持膜表面的高速运动。采取化学清洗时，也会使膜使用成本提高。而膜支架的机械强度较低，在使用过程中容易损坏，更换也需要额外的费用。因此，降低SiC陶瓷膜的烧结温度、寻找新的廉价生产工艺以及降低膜使用和膜清洗成本仍是未来的研究重点。
4 发展前景
SiC陶瓷膜在技术上比其他无机膜及有机膜具有更佳的过滤分离性能和使用周期。随着膜分离性能和工艺设计的不断成熟，尤其是新的SiC陶瓷膜制备工艺的应用，未来价格更低、过滤效率更高、性能更优异的SiC陶瓷膜将会大规模地投入到实际应用中。
然而，多孔SiC陶瓷膜分离技术的应用研究仍然处于初期阶段。一方面，虽然多孔SiC陶瓷膜分离技术的应用还没有大范围推广与应用，但是已在能源、化工、冶金、石化、造纸、印刷、烟草和制药等领域显示出巨大的应用前景。另一方面，多孔SiC陶瓷膜分离技术的应用研究仍然面临诸多问题和挑战。未来需要在：（1）膜生产及应用的规范化及标准化；（2）膜易受污染和清洗效果不佳；（3）膜生产及使用成本高等方面寻求发展和突破。只有摆脱了现有膜生产工艺不够成熟、膜应用技术研究不够完善等现状，才能使多孔SiC陶瓷膜分离技术得到长足发展，真正走向为民所用。
5 结语
多孔SiC陶瓷膜分离技术的应用研究取得了很大进展，在油水分离、水质净化以及气体除尘等方面都有广泛的研究和丰富的技术积累。未来仍需要投入大量的资源，解决膜生产制备技术不成熟、应用研究不完善等问题，让多孔SiC陶瓷膜分离技术真正的走向应用、获益于民。
随着国内外日益重视环境保护，各国对高性能过滤分离技术的支撑需求也越来越迫切，为多孔SiC陶瓷膜分离技术的发展和应用创造了契机。未来，多孔SiC陶瓷膜分离技术将迎来更好的应用前景。
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